談巖溶隧道突水突泥預(yù)測預(yù)警技術(shù)

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摘要:巖溶引發(fā)隧道災(zāi)害主要通過三種不同的機(jī)理實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致三類不同的災(zāi)害:其一是突水涌泥現(xiàn)象;其二是造成隧道失穩(wěn);其三是可能在隧道頂部底部或者兩側(cè)出現(xiàn)大型溶洞。其中突水突泥在巖溶隧道中屬于非常常見的一種災(zāi)害，許多隧道在施工期間深受其害，通過對(duì)敘畢鐵路新高坡隧道進(jìn)行研究，探尋一種有效的針對(duì)巖溶隧道突水涌泥現(xiàn)象的系統(tǒng)措施，研究在隧道施工期間的突水突泥預(yù)測預(yù)警技術(shù)方面比較合適的方法。研究結(jié)果表明，在實(shí)際處理敘畢鐵路新高坡巖溶隧道突水突泥時(shí)，新高坡隧道的三維估量探測技術(shù)及突水突泥災(zāi)害監(jiān)控與智能預(yù)警軟件平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)巖溶段富水段突水突泥預(yù)測預(yù)警有較好的參考作用。

關(guān)鍵詞:巖溶；隧道；突水突泥；預(yù)測預(yù)警

引言

通過對(duì)大量的文獻(xiàn)資料調(diào)查得出，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和實(shí)際施工措施這三大要點(diǎn)對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹У膸r溶隧道中突水突泥災(zāi)害的發(fā)生有著很大的影響［1］。在工程地質(zhì)方面，大范圍的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，在很大程度上由地形地貌所決定，所以一般來說出現(xiàn)突水涌泥現(xiàn)象的隧道，基本上都位于可溶性巖層和富水的地層中。特別是存在于斷層破碎帶等特殊地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的隧道，因受這些特殊地質(zhì)構(gòu)造的特殊物質(zhì)條件等原因的影響，面臨更嚴(yán)重更頻繁的突水涌泥事故困擾。在水文地質(zhì)方面，水文地質(zhì)主要包括三大因素:其一就是隧道所在當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r;其二是隧道所在地區(qū)的水文條件;其三則是隧道周圍巖層的地?zé)嵋蛩亍Ｋ韰^(qū)的氣象情況對(duì)隧區(qū)水文地質(zhì)的影響主要是通過降水實(shí)現(xiàn)，降水量的多少會(huì)較大程度改變當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)情況;隧道所在地區(qū)的水文條件主要受到當(dāng)?shù)氐臏囟?、降雨這些自然因素的影響;而地?zé)岣歉玫卮龠M(jìn)了斷層的導(dǎo)水性能以及斷層里泥漿、巖石碎屑的流動(dòng)性能，導(dǎo)致隧道更容易受到突水突泥的威脅。同樣，實(shí)際施工措施也通過隧道設(shè)計(jì)過程、對(duì)施工溫度的控制以及開挖、爆破過程等等影響隧道突水突泥的發(fā)生。對(duì)隧道進(jìn)行合適的地質(zhì)勘探，并根據(jù)地質(zhì)勘探的成果對(duì)隧道進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，才能有效地預(yù)防隧道突水突泥事故，進(jìn)一步而言，合理的設(shè)計(jì)能有效地指導(dǎo)施工，從而保證施工期間隧道的安全穩(wěn)定，確保隧道有序有效率地建設(shè)。同樣值得注意的是，在施工期間由于各類機(jī)械排放廢氣或者其他原因引起的施工溫度升高是會(huì)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性造成不良影響的，甚至?xí)绊懙絿鷰r周圍的地下水流動(dòng)狀態(tài)，從而造成難以預(yù)測的突水涌泥事故。在隧道施工期間的爆破震動(dòng)一方面破壞隧道圍巖整體性，另一方面激活圍巖內(nèi)的靜水，使活化的地下水涌入隧道，造成災(zāi)害。通過了解影響巖溶隧道的因素，對(duì)巖溶隧道突水突泥預(yù)測預(yù)警有較大的啟示作用，更容易找到預(yù)測突水突泥的方向。譚英華［2］通過研究了解了實(shí)時(shí)反饋的重要性，并通過對(duì)現(xiàn)場施工信息實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控測量，然后反饋給信息管理系統(tǒng)，信息管理系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)，提出有效地應(yīng)急對(duì)策，實(shí)現(xiàn)了對(duì)突水涌泥預(yù)警系統(tǒng)的完善;李術(shù)才等［3］詳述了如何綜合利用現(xiàn)存各類超前預(yù)報(bào)的方法，使之形成綜合體系。Wang和Lu［4］建立了一套完整地質(zhì)預(yù)測技術(shù)。曲海鋒等［5］提出了一種綜合地質(zhì)預(yù)測方法。新高坡隧道擁有復(fù)雜的地質(zhì)條件，圍巖破碎，圍巖質(zhì)量差，多為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)，隧區(qū)內(nèi)斷層、溶洞眾多。破碎的圍巖與豐富的水源并存，擁有突水突泥的良好條件，作為應(yīng)對(duì)巖溶現(xiàn)象的第一步，在新高坡隧道中應(yīng)用好預(yù)測預(yù)警技術(shù)不僅有效保障隧道施工安全，而且對(duì)其他的巖溶隧道有著很好的指導(dǎo)意義。

1隧道突水突泥災(zāi)害的預(yù)測

1．1隧道突水突泥災(zāi)害處理的總體原則

施工原則簡單來說就是“早預(yù)報(bào)、先治水、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、早襯砌。要施工先預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)的目的就是掌握掌子面前方的實(shí)際情況，主要著重關(guān)注前方是否存在斷層破碎帶，并關(guān)注其特征。首先要關(guān)注的特征就是斷層的規(guī)模，其次要關(guān)注存在的是何種類型的斷層以及其破碎程度，最后要關(guān)注的就是斷層往哪個(gè)方向延伸及其走向等等。遇溶隙、裂隙水可以以堵為主、限量排放，減小隧道施工對(duì)地表水資源的破壞;遇到暗河或管道流，必須以疏、排為主。針對(duì)通過預(yù)報(bào)得知的突水涌泥危險(xiǎn)較大的區(qū)段，實(shí)行注漿方案應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)。注漿方案包括大范圍大斷面的整體式注漿和對(duì)相對(duì)危險(xiǎn)性較高的局部區(qū)域更細(xì)致的注漿兩部分。兩部分相互配合，相互補(bǔ)充，對(duì)掌子面前方地質(zhì)做到最良好的改善。同時(shí)，對(duì)于不同含水量大小的地層，在檢查注漿效果時(shí)對(duì)漿液填充率的要求不一樣，含水量不大的地層達(dá)到70%的填充率就足夠了，而地層含水量豐富時(shí)，填充率應(yīng)該大于80%。實(shí)行注漿效果檢查的注漿孔要求占總注漿孔的8%左右，且檢查孔的分布應(yīng)該盡量均勻。檢查注漿孔時(shí)主要關(guān)注以下要求:有無涌泥涌砂，有無塌孔，滲水量是否小于0．2L/(min•m)。在確定注漿止水效果滿足一定要求后，才可以進(jìn)行開挖施工。

1．2新高坡隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測的方法選擇

新高坡隧道施工要重視并建立完善的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，綜合采用(TSP203地震波法、紅外線探水儀、水平聲波反射法、地質(zhì)調(diào)查和超前鉆探等)，綜合各種預(yù)報(bào)方案的優(yōu)點(diǎn)，互相彌補(bǔ)，下面簡要介紹一下本隧道使用的幾項(xiàng)預(yù)報(bào)方法:1)地震波法(TSP203)。選取相對(duì)普通卻比較成熟的地震波反射法(TSP法)，全程使用TSP203。每次預(yù)報(bào)軟弱、破碎、巖溶發(fā)育地區(qū)的距離保持在100m～120m之間，一前一后兩次使用TSP203有10m以上的區(qū)段重疊;巖質(zhì)較好的區(qū)段預(yù)報(bào)長度保證在120m～150m即可，不過前后兩次預(yù)報(bào)的區(qū)段的搭接長度仍需達(dá)到10m。2)超前地質(zhì)水平鉆。作為一種能夠更直觀驗(yàn)證掌子面前30m實(shí)際圍巖情況的方法，對(duì)其有以下要求:單次鉆孔長度不小于30m，斷裂帶不小于35m，搭接長度10m。根據(jù)超前地質(zhì)水平鉆情況，如果鉆出地下水，則需要在拱頂鉆3個(gè)108的泄水孔，降水提前排走。如果僅僅依靠超前鉆孔并不能完成泄水的任務(wù)，可額外進(jìn)行迂回導(dǎo)坑降水，確保掌子面施工安全。3)加深炮孔。在隧道開挖工作面上鉆小孔徑淺孔，以此獲取地質(zhì)信息的方法，加深炮孔每次循環(huán)布設(shè)3個(gè)～8個(gè)，保證掌子面頂部，底部及兩側(cè)都有炮孔存在。以炮孔出水狀況和鉆孔時(shí)的速度，判定前方圍巖情況。不過加深炮孔法禁止在爆破殘眼中進(jìn)行。4)掌子面素描。實(shí)施對(duì)每個(gè)掌子面的近距離素描，主要關(guān)注其巖性、構(gòu)造、水文并保留影像。該方法可以直接觀測掌子面，但是對(duì)于掌子面前方狀況難以判斷。

2隧道突水突泥災(zāi)害監(jiān)控與智能預(yù)警軟件平臺(tái)

2．1隧道監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的選擇原則

使用新技術(shù)保證開挖安全，無論是使用傳統(tǒng)的簡單方法來保證，還是復(fù)雜的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，都是為了改善環(huán)境，保障人員機(jī)械安全。因此，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮選擇監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng):1)突水突泥隧道災(zāi)害情況。隧道突水涌岀量、臨界水壓力及富水?dāng)鄬悠扑閹У榷际鞘┕r(shí)常常用來選擇隧道突水突泥監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)類型的依據(jù)。2)突水突泥隧道的實(shí)際施工情況。隧道開挖面的多少、隧道內(nèi)機(jī)械電子設(shè)備安裝的位置以及數(shù)量等等都影響到突水突泥監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的裝備容量，但是為了更加穩(wěn)妥起見，應(yīng)該在適用容量的基礎(chǔ)上再增加20%～30%的備用容量。3)系統(tǒng)的功能。數(shù)據(jù)處理優(yōu)先選用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟件要同時(shí)兼?zhèn)涔δ軓?qiáng)大、易于開發(fā)、容量足夠等優(yōu)點(diǎn)且能夠用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算及報(bào)表編制工作。對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行選型時(shí)以工控機(jī)為優(yōu)先考慮目標(biāo)，同時(shí)方便和工區(qū)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。4)綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面。選型監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面都應(yīng)該得到妥善的考慮，對(duì)技術(shù)要求先進(jìn)、性能應(yīng)該穩(wěn)定且要保證安全性。對(duì)于經(jīng)濟(jì)方面，經(jīng)濟(jì)效益是基本要求，且使用和維護(hù)要很便利才行。因此，選型分析應(yīng)綜合考慮上述兩個(gè)方面。

2．2LED顯示系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)

LED大屏幕比較適合安裝在顯眼的位置(見圖1)，比如隧道入口就是個(gè)合適的位置，作為顯示端，一方面可以展示隧道內(nèi)施工人員的信息，方便管理施工人員，使管理更加先進(jìn)，更加透明化，另一方面也可以顯示隧道內(nèi)一些容易發(fā)生突水突泥的區(qū)域?qū)崨r，讓領(lǐng)導(dǎo)和管理者更方便及時(shí)地關(guān)注到隧道施工人員及隧道內(nèi)安全狀況。預(yù)警系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要在視覺上直觀的關(guān)注隧道內(nèi)的安全情況，隧道內(nèi)有任何地方發(fā)生局部的，少量的突水突泥都能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)分別通過關(guān)注臨界突泥距離和臨界水壓力，在數(shù)據(jù)上預(yù)警突水突泥的發(fā)生。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括采集、編解碼、傳輸及接收端幾個(gè)部分。監(jiān)控點(diǎn)采集隧道內(nèi)視頻信息，然后經(jīng)過編解碼后傳輸?shù)奖O(jiān)控室電腦上儲(chǔ)存，同時(shí)在LED顯示屏上顯示出來。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，不僅可以多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，更具有云端功能，可以隨時(shí)通過軟件控制端進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)清晰放大、視屏快進(jìn)快退，觀看想看的時(shí)間段的視屏。如果擁有管理員權(quán)限更是可以下載和點(diǎn)播特定云端視屏。隨著5G的普及，這些功能將會(huì)更加的便利。監(jiān)控器分布圖見圖2。對(duì)于監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)，前者通過在掌子面上安裝的監(jiān)測器觀察監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變，如果監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)生了突變，則說明現(xiàn)在到達(dá)了臨界突泥的距離。后者通過檢測掌子面內(nèi)的水壓力，當(dāng)水壓力達(dá)到臨界值，說明有了突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行掌子面抽排水。由此可以看岀預(yù)警系統(tǒng)是綜合利用監(jiān)控?cái)z像機(jī)對(duì)隧道施工現(xiàn)場具備發(fā)生突水突泥可能性的各視頻點(diǎn)進(jìn)行24h的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)對(duì)掌子面應(yīng)變和水壓力的及時(shí)預(yù)警。對(duì)于一些關(guān)鍵的視屏節(jié)點(diǎn)，可以啟動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)偵測功能并隨后自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警功能。系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別危險(xiǎn)，并觸發(fā)錄像報(bào)警功能，及時(shí)把前端采集的警報(bào)信息，包括圖像、聲音、異常變形或水壓等數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室電腦，讓管理人員能直觀迅速地了解并掌握實(shí)施情況，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)管實(shí)時(shí)預(yù)警的效果。項(xiàng)目部聯(lián)網(wǎng)—綜合遠(yuǎn)程監(jiān)控圖見圖3。數(shù)據(jù)傳輸方式多種多樣，具體的選擇要以現(xiàn)場條件為主，盡可能多地選擇多種傳輸通信方式綜合使用，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定，因?yàn)樾盘?hào)傳輸是整個(gè)系統(tǒng)的命脈。可供選擇的傳輸方式包括:有線傳輸、光纖傳輸、無線網(wǎng)絡(luò)5G傳輸甚至可以利用衛(wèi)星傳輸。綜合搭配各種通訊系統(tǒng)保障數(shù)據(jù)的傳輸。這樣就可以實(shí)現(xiàn)把數(shù)據(jù)傳送到指揮部調(diào)動(dòng)中心的目的，使指揮調(diào)度更方便。

3結(jié)語

新高坡隧道不僅僅是簡單地一塊使用了上述先進(jìn)可靠的預(yù)報(bào)方法，更是一種對(duì)各種預(yù)報(bào)方法的取長補(bǔ)短的利用，通過讓它們之間互相彌補(bǔ)，使施工方案更精準(zhǔn)有效。綜合利用攝像機(jī)24h視頻監(jiān)控隧道施工和利用監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)對(duì)掌子面應(yīng)變和水壓力進(jìn)行監(jiān)控，構(gòu)建了隧道突水突泥災(zāi)害監(jiān)控與智能預(yù)警軟件平臺(tái)，為類似工程突水突泥預(yù)測預(yù)警提供了參考。

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作者：周仁強(qiáng)單位：四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司